18.11.2013
Tepelné ztráty
VÝPOČET TEPELNÉ IZOLACE A TEPELNÝCH ZTRÁT
Vláknité materiály
Tepelná izolace rozvodů
optimální tloušťka tepelné izolace je dána
V tepelných sítích se používají tyto tepelně izolační hmoty
únosnou velikostí tepelných ztrát pro daný průměr potrubí odpovídá minimu křivky součtových nákladů.
vláknité materiály porézní látky látky sypké
součinitel tepelné vodivosti λ [W/mK] hustota (objemová hmotnost) ρ [kg/m3]
mají tepelnou vodivost λ ≈ 0,06 až 0,1 W/mK tepelná vodivost roste
expandovaný hydrofobizovaný perlit (zrnka perlitu, jejichž povrch je nasycen vodu odpuzující látkou) tepelná vodivost je 0,08 až 0,105 W/mK investiční náklady na síť uloženou v hydrofobním zásypu jsou proti klasickému kanálovému provedení značně menší
vyžadují však vybetonování dna výkopu provedení drenáže
dnes se nepoužívá
skleněná vlna - snáší teploty do 350°C čedičová vlna - až do 700°C minerální vlna - do 600°C (nehodí se pro vlhké prostředí).
Vláknité izolace v provedení rohoží se montují do konstrukce z páskového a kruhového železa potažené rabicovým pletivem Povrch izolace je kryt plechovou bandáží
Sypké materiály
s objemovou hmotností s teplotou
Objemová hmotnost ρ mívá hodnoty 100 až 200 kg/m3. Do tepelných výpočtů je užívá provozní hodnota tepelné vodivosti λ ≅ 0,095 W/mK. Mezi tento typ izolací patří
Kvalitu tepelně izolačního materiálu určuje
Tepelné ztráty zde dosahují průmětně 5 až 7 % přeneseného množství tepla během provozního období za rok Při postupném zapojování spotřebičů nebo při jinak sníženém zatížení sítě jejich podíl dále stoupá → 15% U vnitřních (sekundárních) rozvodů v budovách se při jejich projekci obyčejně uvažuje paušálně s přirážkou 10% tepelného výkonu na „ztráty rozvodu“. Ztráty vnitřního rozvodu nepředstavují zvýšený nárok na dodávku tepla z předávací spotřebitelské stanice pro daný objekt. Hlavní pozornost je třeba věnovat omezení tepelných ztrát v primárním rozvodů - jde o teplo skutečně bezprostředně ztracené do okolí.
Porézní materiály
dříve se používal pěnobeton, dnes ekostyren
podle vlhkosti a objemové hmotnosti bývá jeho tepelná vodivost λ = (0,07 až 0,15 ) W/mK, za nepříznivých podmínek i více je silně navlhavý, a proto je třeba ho chránit před vlhkostí.
izolace z pěněného polyuretanu
mají střední tepelnou vodivost λ = 0,03 W/mK snášejí teploty media do 130°C s vnější ochrannou vrstvou je lze používat v bezkanálovém provedení
1
18.11.2013
Předizolované potrubí
Předizolované potrubí
Určené pro ukládání přímo do země Součástí systém na lokalizaci netěsností Různá provedení
Sdružený systém s ocelovou teplonosnou trubkou Kluzný systém s ocelovou teplonosnou trubkou Flexibilní systém s teplonosnou trubkou z oceli Flexibilní systém s teplonosnou trubkou z PEX (síťovaný polyetylén) Flexibilní systém s teplonosnou trubkou z mědi Flexibilní systém s teplonosnou trubkou z hliníku a PEX
Předizolované potrubí pro TUV
Výpočet teplených ztrát při různých způsobech uložení potrubí
Výpočty se provádějí pro ustálený stav teplot Používá se výrazů odvozených dle principů sdílení tepla. Obvykle se jedná o kombinaci sdílení tepla
vedením (kondukcí) prouděním (konvekcí), v některých případech se na vnějším povrchu uvažuje též sálání (radiace).
Předizolované vakuované potrubí
Kombinovaný případ sdílení tepla u válcové trubky je souhrnně popsán součinitelem prostupu tepla k [W/mK] vztaženým k 1 m délky Měrná tepelná ztráta 1 m potrubí bude
V praxi je však lepší pracovat s tepelnými odpory R [mK/W] vyjádřenými pro jednotlivé mechanismy sdílení tepla,
protože tyto odpory lze algebraicky sčítat
2
18.11.2013
Izolované potrubí uložené nad zemí
Celkový tepelný odpor se skládá ze složek
Průběh teplot ve stěně izolované trubky
po zanedbání R1 a R2
Potrubí uložené v zemi
Součinitel přestupu tepla z vnějšího povrchu do okolí
volnou konvekci v klidném vzduchu
Teoretické
řešení tepelných ztrát je dosti obtížné řešit metodou skládání teplotních polí Podmínky řešení Lze
při volném obtékání vzduchem do w < 1 m/s
v tělese jsou soustředěny zdroje a odběry tepla, které lze popsat lineárními diferenciálními rovnicemi okrajové podmínky sdílení tepla jsou též lineární
pak
při nuceném obtékání rychlostí w > 1 m/s a pro d2 > 0,3 m
jsou jednotlivá teplotní pole vytvořená zdroji a odběry vzájemně nezávislá Výsledné teplotní pole je sumou jednotlivých polí. Podstata řešení :
Potrubí uložené v zemi Výpočet dle metodických pokynů FinTherm
Při výpočtu tepelných ztrát je nutné brát v úvahu: hloubku uložení, vzdálenost mezi trubkami, teplotu přívodního a vratného potrubí izolační vlastnosti pěny, teplonosné trubky, plášťové trubky a zeminy
do výpočtu se zavedou fiktivní zdroje a odběry tepla řeší se sdílení tepla mezi nimi
Potrubí uložené v zemi
Tepelnou ztrátu dálkového vytápění přívodního a vratného potrubí lze spočítat podle vzorce:
kde Λ - tepelná vodivost přívodního a vratného potrubí v zemině [W·m-1·K-1], tp - teplota přívodního potrubí [°C], tv - teplota vratného potrubí [°C], tz - teplota zeminy [°C].
3
18.11.2013
Potrubí uložené v zemi
Tepelná vodivost přívodního a vratného potrubí v zemině
převrácená hodnota součtu
tepelného odporu potrubí Rp tepelného odporu zeminy Rz odporu při přestupu tepla mezi přívodním a vratným potrubím Rt
Potrubí uložené v zemi
tepelný odpor přívodního a vratného potrubí
tepelný odpor zeminy
odpor teplotní výměny mezi přívodním a vratným potrubím
Potrubí uložené v zemi
λn - součinitel tepelné vodivosti nosné trubky (pro nízkouhlíkovou ocel je λn = 53 W·m-1·K-1), λPUR - součinitel tepelné vodivosti polyuretanové izolace (při teplotě 50 °C je λPUR = 0,03 W·m-1·K-1), λPE - součinitel tepelné vodivosti polyetylénové plášťové trubky (λPE = 0,43 W·m-1·K-1), λz - součinitel tepelné vodivosti zeminy
Potrubí uložené v podzemním kanálu
Potrubí uložené v podzemním kanálu
součinitel αs získat výpočtem ze Stefan-Boltzmannova zákona
předpoklady řešení
známe teplotu vzduchu v kanálu t2 teplota povrchu kanálu je stejná, jako teplota vzduchu
Přesné řešení těchto případů je nemožné vzhledem k měnícím se
pro suchý písek λz = 1,5 W·m-1·K-1, pro vlhkou zeminu je λz = 2,5 W·m-1·K-1
hodnota 0,0685 m2·K·W-1 = konstanta zachytující přechodový odpor zemského povrchu do vzduchu
d / di – vnější/vnitřní průměr nosné trubky [m] D / Di – vnější/vnitřní průměr PE plášťové trubky [m] H - krycí výška zeminy od osy potrubí [m] a - vzdálenost mezi svislými osami potrubí [m]
kde
teplotám pracovní látky potrubí, proměnlivé teplotě zeminy a vzduchu v kanálu k proměnlivému vlivu sdílení tepla konvekcí a sáláním z povrchu izolace.
Za obvyklých poměrů vychází hodnota součinitele přestupu tepla konvekcí okolo 2,5 W/m2K. U kanálového uložení převažuje při odvodu tepla z povrchu izolace do vzduchu přestup tepla sáláním.
Potrubí uložené v podzemním kanálu Postup při určování tepelné ztráty potrubí by mohl být tento : zvolíme teplotu vzduchu v kanálu t2 zvolíme teplotu vzduchu povrchu izolace t’2, která může být t’2 ≈ t2 + (5 ÷ 10) K určíme αk a αs , výsledný součinitel přestupu tepla je dán jejich součtem tepelný odpor při přestupu tepla z trubky do vzduchu je přibližně
Součinitel vzájemné sálavosti povrchu izolace a povrchu kanálu c1,2
měrná tepelná ztráta na 1 m délky
c1 [W/m2K4] je součinitel sálavosti povrchu izolace c2 [W/m2K4] je součinitel sálavosti kanálu.
4
18.11.2013
Stárnutí izolace
Potrubí uložené v podzemním kanálu
Nyní lze původní volbu teplot t’2 a t2 kontrolovat, např teplo, které projde na povrch izolace = teplo přešlé z povrchu izolace do vzduchu
Zhoršení vlastností izolace v provozu vlivem provozních podmínek: degradace vlastností, provozní teplota, vlhkost
Vezmeme-li jednu zvolenou hodnotu jako pevnou, např. t2, lze z rovnice vyjádřit t’2 a porovnat s volbou. Po opravě teplot se vyjádří opravená měrná tepelná ztráta. Ke kontrole je vhodné použít dále úvahy, že teplo sdělené do kanálu je odváděno kanálem jako celkem do země a dále do ovzduší
nedodržení rozměrů a technologických předpisů pro zhotovení izolační vrstvy stlačení izolace tepelných mostů – kovové rozpěrky, podpěry, závěsy Zvýšení deklarované hodnoty tepelné vodivosti uváděné výrobcem λskut = (1,15 až 1,50) × λ
Pevnostní výpočet tepelné sítě
provádí se za účelem dimenzování tloušťky stěny potrubí s ohledem
PEVNOSTNÍ VÝPOČTY V TEPELNÝCH SÍTÍCH
postup je normalizován je třeba respektovat vliv vyšší teploty stěny na zhoršení pevnostních vlastností materiálu jmenovitá tloušťka stěny potrubí s namáhaného vnitřním přetlakem nesmí být menší než stanoví vzorec
p [MPa] výpočtový přetlak,
návrhu uložení dimenzování kompenzáturů.
Namáhání materiálu trubek je způsobeno
Dimenzování tloušťky stěny potrubí namáhaného vnitřním přetlakem
na působení primárního namáhání od vnitřního přetlaku za účelem zjištění sekundárního namáhaní např. od průhybu nebo v důsledku tepelných dilatací - je důležité z hlediska
namáhání účinkem vnitřního přetlaku tepelná roztažnost materiálu trubek vlastní tíha potrubí, jeho náplně a tepelné izolace namáhání od zátěže osamělými břemeny, armaturami apod. u venkovních potrubí případné namáhání aerodynamickými účinky větru, eventuelně spojité zatíženi od vrstvy sněhu dynamické tlakové nebo teplotní jevy.
Tepelná roztažnost
je příčinou tepelných dilatací a nepříznivých namáhání v tepelných sítích je základní fyzikální konstantou látky, získáváme ji experimentálně Délkový součinitel tepelné roztažnosti je obecně definován v elementárním tvaru takto :
kde l [m] je délka sledovaného úseku měřená při teplotě t, jež se mění o elementární hodnotu dt. Součinitel tepelné roztažnosti při konečném rozdílu teplot ∆t bude :
D [mm] vnější průměr trubky, σD [MPa] dovolené napětí při výpočtové teplotě stěny trubky, ϕ [-] výpočtový součinitel pevnosti respektující zeslabení stěny otvory a podélnými svary
c [-] celkový přídavek k výpočtové tloušťce stěny, který se skládá
z přídavku na výrobní nepřesnosti, technologické zpracování a korozi.
kde l1 je původní délka úseku měřená při původní teplotě t1 Takto zjištěný součinitel tepelné roztažnosti je středním součinitelem v příslušném intervalu teplot t2 - t1.
5
18.11.2013
Tepelná roztažnost
Měrné prodloužení některých materiálů
Relativní změna délky = měrné prodloužení e
Pro běžné druhy uhlíkové oceli (např. 11353) se uvádí závislost:
Hodnota středního součinitele délkové roztažnosti v rozmezí teplo 0 až t bude
Pro tepelné sítě do 250°C bereme s jistou bezpečností konstantní hodnotu součinitele v celém rozsahu teplot α = 12⋅10-6 [K-1]. Součástí každé tepelné sítě jsou kompenzátory, které díky své elesticitě dokáží zachytit a vykompenzovat délkové změny potrubí vyvolané tepelnou roztažností materiálu
KOMPENZÁTORY
všechny uměle vmontované rovinné útvary potrubí, které zvětšují jeho elastickou délku
Ohybové kompenzátory
ohybové kompenzátory - dilatace se kompenzuje díky jejich deformaci a zvyšování energie napjatosti od ohybu kompenzátory osové.
kompenzační schopností ∆lx [m] - udává maximální přípustnou deformaci kompenzátoru, odporem kompenzátoru Fk [N] = síla, která působí v ose potrubí a vyvolává v něm tlakové namáhání svými rozměry a jmenovitými provozními parametry.
dále se rozlišují podle tvaru
Každý kompenzátor je charakterizován
závisí na teplotě grafická závislost e - t (pro určitý materiál) = tzv. křivka tepelné roztažnosti sklon této křivky v každém bodě udává příslušnou hodnotu součinitele roztažnosti α při dané teplotě
Ohybové kompenzátory
typ U, lyrové - zvýšená pružnost (asi o 10 %) oproti kompenzátoru U o stejných hlavních rozměrech nevyvažuje zvýšené výrobní náklady S - je náročný na prostor a stavební úpravy;. Pro použití v tepelných sítích je tedy z tohoto typu kompenzátorů nejvhodnější tvar U.
lze sem také zahrnout útvary přirozené kompenzace v rovinných systémech - L, Z, P atd, přestože tyto úseky tepelných sítí nelze zařadit pod pojem „kompenzátory“.
Ohybové kompenzátory tvaru U
Vyrábějí se ohýbáním za tepla z rovné trubky kompenzátor musí mít po obou stranách osové vedení - nebezpečí vybočení
6
18.11.2013
Osové kompenzátory
Výhoda
vlnovcové kompenzátory kompenzátory s pryžovou dilatační vložkou kompenzátory ucpávkové
Vlnovcové kompenzátory
Těsnícím i pružícím elementem je u nich vlnovec. Podle způsobu výroby je vlnovec
Nevýhody
jsou méně náročné na prostor i projekční výpočty; jsou výrobně složitější (vlnovcové kompenzátory) nelze použít pro vyšší jmenovité tlaky.
Typy
vlnovcové kompenzátory kompenzátory s pryžovou dilatační vložkou kompenzátory ucpávkové
Vlnovcové kompenzátory
válcovaný svařovaný z membrán,
Podle počtu vrstev je vlnovec
Výhoda
jsou výrobně složitější (vlnovcové kompenzátory) nelze použít pro vyšší jmenovité tlaky.
Typy
jsou méně náročné na prostor i projekční výpočty;
Nevýhody
Osové kompenzátory
jednovrstvý pro vyšší tlaky vícevrstvý,
Podle materiálu je vlnovec
z tombaku (pro nejnižší jmenovité světlosti a pracovní teploty do 110°C) z austenitické oceli 18 % Cr, 8 % Ni nerezavějící oceli třídy 17.
Vlnovcový kloubový kompenzátor
Ucpávkové kompenzátory
7
18.11.2013
Montáž kompenzátoru s předpětím
kompenzátor navrhneme pouze na poloviční hodnotu dilatace potrubí 1/2⋅∆lx , přičemž
kompenzační schopnost zvětšíme na ∆lx předpětím za studena o hodnotu -1/2⋅∆lx kompenzátor bude zcela odlehčen při provozní teplotě ts = 1/2⋅tp max to je výhodné zejména u kvalitativně regulované tepelné sítě, protože po většinu doby provozu budou v kompenzátoru malá napětí.
Montáž kompenzátoru s předpětím Jednočinný (jednorázový) kompenzátor = k dosažení a udržení trvalého předpětí potrubí použití u předehřátého potrubí, před montáží se nastaví na vypočítanou dilataci, kterou musí absorbovat při předehřívání, po dosažení plného stlačení se jednorázový kompenzátor zavaří.
8
